خلاصه
به منظور افزایش بازده سیكل توربین گاز، استفاده از حرارت اگزوز نیروگاه بعنوان یك منبع بالقوه انرژی مفید مورد توجه قرار گرفته است. اینكار هم اكنون توسط بسیاری از سازندگان توربینهای گاز از طریق سیكلهای تركیبی مختلف انجام میپذیرد. از طرفی به تجربه ثابت شده است كه بازدهی توربین گاز در فصول سرد سال و یا حتی در ساعات خنكتر روز افزایش مییابد بطوریكه یك درجه سانتیگراد كاهش در دمای محیط تقریباً 1% افزایش توان تولیدی را در پی خواهد داشت.
بدین منظور خنك كردن هوای ورودی به كمپرسور در فصول گرم سال، به عنوان یك پیشنهاد مطرح و بررسیهای لازم در جهت امكانپذیری آن انجام پذیرفت. جهت كاهش هوای ورودی، استفاده از یك سیستم تبرید جذبی كه با حرارت اگزوز كار كرده و مصرف انرژی الكتریكی، هزینههای عملیاتی و تعمیر و نگهداری آن ناچیز میباشد بعنوان راه حل بهینه برگزیده شد. هزینه ساخت و نصب و هزینههای عملیاتی این سیستم در مقایسه با سایر سیستمها بسیار ناچیز میباشد. در مورد واحدهای بزرگ توربین گاز، میتوان از سیكل تركیبی متداول گاز و بخار استفاده نمود و یا از تعدادی سیستم تبرید موازی جهت سرد كردن هوای ورودی كمپرسور استفاده نمود.
1ـ مقدمه
حفاظت محیط زیست استفاده از تكنولوژیهای سازگار با محیط را میطلبد. در زمینه تولید انرژی، استفاده از توربین گاز كه نسبت به سیستمهای دیگر آلودگی كمتری دارد مورد توجه قرار گرفته است. همچنین سهولت در نصب و راهاندازی توربین گاز و وفور منابع گاز طبیعی و ارزانی نسبی آن، افزایش تقاضا در این زمینه را موجب شده است. ولی بازده توربین گاز به تنهائی به مراتب كمتر از نیروگاههای بخاری نفت سوز یا زغال سنگی میباشد. دلیل اصلی این امر خروج گازهای حاصل از احتراق در دمای بالا از اگزوز توربین میباشد، بهمین دلیل تغییرات گوناگونی در طراحی توربین گاز ایجاد شده و بدون اینكه از جذابیت سیستم كاسته شود افزایش بازده سیستم را در پی داشته است. با وجود این بازده واقعی دستگاه به شدت تابع دمای هوای ورودی به كمپرسور (بخصوص در نواحی مرطوب گرمسیری و داغ بدون آب) میباشد. بالا بودن دمای محیط باعث محدودیت جرم هوای ورودی به كمپرسور (m) شده و در نتیجه كاهش توان خروجی توربین را بدنبال خواهد داشت. بعنوان مثال، C ْ 1 افزایش در دمای محیط، باعث 1% كاهش در توان توربین میشود. بنابراین توربین گاز كه بایستی بتواند در ساعات اوج مصرف نیروی برق (معمولاً در گرمترین ساعات روز در فصل تابستان) جوابگوی نیاز باشد عملاً كارآئی مطلوب را نخواهد داشت.
تجربه نیز نشان داده است كه بازدهی توربین گاز در فصول سرد سال و یا حتی در ساعات خنكتر روز افزایش مییابد. شكل (1) نمونه اطلاعات عملی اخذ شده از نیروگاه گازی شیراز را نشان میدهد كه اثر كاهش دمای هوای ورودی به كمپرسور بر افزایش توان خروجی توربین را میتوان به راحتی از آن استنتاج كرد. ال هادیك [2] اثرات دما، فشار، رطوبت نسبی و دمای ورودی توربین را بر توان و بازده توربین مورد بررسی قرار داده و نتیجهگیری كرد كه دمای هوای محیط بیشترین تأثیر را بر كارآئی توربین دارد. بررسی ترمودینامیكی این موضوع توسط محققین دیگر نیز نشان داد كه بازده حرارتی و توان خروجی ویژه توربین با افزایش دمای محیط كاهش مییابد [9 و 10]. علاوه بر آن، با سرد كردن هوای ورودی، از نوسانات توان ویژه و بازدهی با دمای محیط كاسته شده و نسبت فشار بهینه برای ماكزیمم توان و بازدهی در این حالت، بیشتر از دیگر سیكلهای متداول میباشد [15].
شكل 1ـ مقدار توان خروجی توربین گاز برحسب تابعی از دما
(واحد شماره 8 نیروگاه گازی شیراز)
بــــدین منظــــور استفــــاده از سیستــــمهای چیلـــر با فشرده كردن بخار (Vapor Compression Chiller) و چیلر جذبی (Absorption Chiller) ممكن است بتواند جوابگوی نیاز باشد. در نگاه اول میتوان دریافت كه سیستم چیلر با كمپرس بخار به دلیل مصرف انرژی الكتریكی نسبتاً زیاد آن چندان مطلوب نمیباشد و همیشه مقداری از افزایش توان توربین گاز بایستی صرف راهاندازی و كاركرد خود سیستم گردد. در عوض سیستم چیلر جذبی میتواند با استفاده از حرارت گازهای خروجی اگزوز كار كرده و مصرف انرژی الكتریكی نخواهد داشت. آب سرد تولید شده در چیلر جذبی میتواند دمای هوای ورودی به كمپرسور را تا شرایط ISO (دمای C ْ 15 و رطوبت نسبی 60%) كاهش دهد. بررسی انجام شده توسط مالوسكی و همكارش [5] برای مقایسه دو سیستم فوق، نشان داد كه استفاده از سیكل تبرید جذبی میتواند باعث ذخیره 200 KW/(MW refrigeration) انرژی الكتریكی شود كه در سیكل سرمایش با تراكم بخار مورد نیاز میباشد.
همچنین چرخههای مختلفی بمنظور مقابله با بازدهی كم حرارتی توربین و تغییرات آن با دمای محیط پیشنهاد گردیده است [1، 16] كه عملیترین آنها كه تا امروز مورد استفاده قرار گرفته است چرخه تبرید تبخیری (Evaporative cooling) میباشد كه با كاهش دمای هوای محیط باعث افزایش دبی جرمی هوای مكش كمپرسور شده و در نتیجه با توجه به رابطه مستقیم توان تولیدی توربین با دبی جرمی، افزایش توان تولیدی را به دنبال دارد [6]. بایستی این نكته را در نظر داشت كه تبرید تبخیری مناسب مناطق گرم و خشك میباشد. شركت برق لینكلن [12] با استفاده از یك چیلر كه با یخ مذاب كار میكند موفق به سرد كردن هوای ورودی كمپرسور و افزایش توان خروجی توربین خود شده است.
سیكلهای تبرید جذبی با توجه به سهولت كار و نداشتن هزینههای عملیاتی، توسط محققـــین مختلفی برای سرد كردن هوای ورودی كمپرسور پیشنهاد گردیده است [7، 9، 10، 11، 15]. نیــروی محــركه این سیكــلها میتـــواند آب گـــرم، بخــار، یا حــرارت گازهــای اگــزوز باشد. در مـــورد ســـرد كردن هوای ورودی كمپرسور، استفاده از حرارت اگزوز معقولترین پیشنهاد میباشد [7، 8، 9، 10، 11، 16]. هرچه دمای محیط بیشتر باشد كارآئی سیكل (Waste Heat Absorption Refrigeration) WHAR نیز بیشتر است [14].
هوفورد [3، 4] یك سیكل تبرید جذبی دو مرحلهای لیتیوم ـ بروماید را كه با حرارت اگزوز توربین كار میكند برای سرد كردن هوای ورودی كمپرسور پیشنهاد كرده است. سیستم مشابهی نیز توسط ال ـ كلای [10] برای كشورهای خلیجفارس پیشنهاد شده است. این محققین ادعا كردهاند كه استفاده از سیكل WHAR هزینه كمتری بازاء هر كیلووات اضافه تولید در مقایسه با سیستمهای تبرید مكانیكی در بر داشته است.
2ـ روش تحقیق
همان طوریكه قبلاً اشاره شد سرد كردن هوای ورودی با تكنیكهای مختلفی امكانپذیر است. كه از آنجمله سیكل تبرید تبخیری، تزریق بخار، تبرید جذبی، و تبرید با تراكم بخار را میتوان نام برد. پس از شناسائی این تكنیكها، سیكل تبرید جذبی كه با حرارت ضایعاتی اگزوز توربین قادر به كار میباشد (WHAR) بعنوان بهترین تكنیك برای توربین گاز مورد نظر انتخاب گردید. سیكل تبرید جذبی خود به دو دسته معروف سیكل تبرید جذبی لیتیوم ـ بروماید (یك مرحلهای و چند مرحلهای)، و تبرید جذبی آمونیاكی تقسیم میشود و هر یك مزایای خاص خود را داراست. پس از انجام محاسبات و بررسی اقتصادی و همه جانبه موضوع، سیكل تبرید لیتیوم ـ بروماید به دلیل سهولت كار بیشتر، عدم نیاز به تأسیسات گسترده، خوردگی كمتر، عدم آلودگی محیط، سرمایه اولیه كمتر، و مصرف برق ناچیز بعنوان سیستم بهینه انتخاب شد.
از بین سیستمهای لیتیوم – بروماید متداول، سیكل لیتیوم ـ بروماید یك مرحلهای جوابگوی نیاز بوده و با هزینه بسیار كم و با بخار كم فشار و یا آب گرم قابل كار میباشد. گرمای مورد نیاز این سیكل تبرید مستقیماً توسط گازهای اگزوز توربین (بوسیله یك مبدل حرارتی) و یا توسط بخار تولیدی در یك بویلر(Heat Recovery Steam Generator) HRSG تأمین میگردد. شكل (2) نمای شماتیك ساده سیكل پیشنهادی را نشان میدهد.
شكل 2ـ نمای شماتیك چرخه توربین گاز همراه با چرخه تبرید هوای ورودی
نكته قابل توجه در مورد طراحی سیستمهای سرمایش هوای كمپرسور، در نظر گرفتن رطــوبت نسبی هوا میباشد. بعنـــوان مثال اگر در منطقــــهای دمای خشك هوا C ْ 35 و رطوبت نسبی هوا 90% باشد (دمای تر هوا در این شرایط حدود C ْ 32 است) انتالپی هوا حدود KJ/Kg dry air 130 میباشد. حال اگر در همین دما رطوبت نسبی 20% باشد (دمای حباب تر هوا در این شرایط حدود C ْ 19 است) انتالپی هوا 54 خواهد شد. اگر قرار باشد دمای هوای ورودی به كمپرسور به C ْ 11 كاهش یابد انتالپی اینحالت KJ/Kg dry air 43 بوده و مقدار حرارتی كه در منطقه مرطوب بایستی از هوا انتقال یابد KJ/Kg dry air 87= 43-130 و برای منطقه خشك KJ/Kg dry air 11= 43-54 خواهد بود.
نكته مهم دیگری كه باید به آن توجه كافی مبذول شود قابلیت ژنراتور برای كار در این شرایط میباشد. ژنراتورها معمولاً توسط آب یا هوا خنك میشوند. آب مورد نیاز از طریق برج خنك كننده یا رودخانه و هوا توسط كولر خشك (Fin fan) تأمین میگردد. با توجه به اینكه توان خروجی ژنراتور بطور غیرمستقیم متناسب با دمای آب یا هوای خنك كننده میباشد (بدین معنا كه با افزایش دمای آب خنك كننده، توان خروجی ژنراتور كاهش مییابد) امكان دارد كه با كاهش دمای هوای ورودی به كمپرسور، توان خروجی توربین افزایش یابد در حالی كه قابلیت كاری ژنراتور افزایش نیافته باشد. در اینصورت توان توربین مازاد بر توان ژنراتور بوده و در نتیجه اخذ توان ظاهری كامل صرفاً موجب داغ شدن بیشتر سیمپیچهای ژنراتور میگردد بهرحال بهیچ وجه نباید بارگیری از ژنراتور از جریان نامی آن كه براساس قدرت ظاهری محاسبه و روی پلاك مشخصات نوشته میشود بیشتر گردد.
1ـ2ـ پیش طرح فنی
طراحی سیستم خنك كننده برای یك دستگاه توربین گاز BBC كه برای كاركرد مستمر با سوخت گازطبیعی در ارتفاع هم سطح دریا طراحی شده است و در دماهای مختلف هوای ورودی دارای مشخصات مندرج در جدول (1) میباشد انجام گردید. میزان سرمایش مورد نیاز برای سرد كردن هوا از دمای محیط به دمای C ْ 15 حدود 1050 تن محاسبه شد (هر تن سرمایش معادل KJ/hr 12660 میباشد). سیستم تبرید مورد نظر یك چیلر جذبی لیتیوم ـ بروماید یك مرحلهای میباشد كه مشخصات كلی آن در جدول (2) درج گردیده است. لازم به ذكر است كه در اثر سرد كردن هوای شیراز به دمای C ْ 15، مقدار رطوبت نسبی هوا به حدود 80% میرسد كه اندكی بالاتر از شرایط ISO میباشد. با توجه به اینكه این رطوبت اضافی در شرایط كار توربین مشكلی ایجاد نمینماید از گرفتن این رطوبت اضافی صرف نظر میگردد.
جدول 1ـ اطلاعات بازدهی یك دستگاه توربین گاز BBC
|
شرایط سایت |
شرایط ISO |
|
|
37 |
10ـ |
15 |
دمای محیط C ْ |
|
55 |
55 |
0 |
افت فشار در سیستم ورودی (mm WG) |
|
38 |
38 |
0 |
افت فشار در سیستم خروجی (mm WG) |
|
2/19 |
6/25 |
2/27 |
بار مبنا (MW) |
|
6/20 |
2/27 |
9/28 |
بار حداكثر (MW) |
|
1/25 |
9/26 |
4/26 |
بار مبنا % |
|
0/26 |
4/27 |
2/27 |
بار حداكثر % |
|
85/18 |
1/25 |
7/26 |
بار مبنا (MW) |
|
10/20 |
7/26 |
4/28 |
بار حداكثر(MW) |
|
122 |
- |
- |
|
دبی هوای ورودی (m3/sec) |
جدول 2ـ مشخصات كلی سیستم تبرید جذبی لیتیوم ـ بروماید یك مرحلهای
|
Ton 1050 |
ظرفیت سرمایش |
|
KW 11 |
توان مورد نیاز پمپها |
|
M3/min 14 |
مصرف آب سرد كننده |
|
C ْ 30 |
دمای آب سرد كننده ورودی |
|
C ْ 40 |
دمای آب سرد كننده خروجی |
|
Kg/hr 8882 |
دبی بخار مصرفی |
|
Psig 14 |
فشار بخار |
|
C ْ 280 |
میزان افت دمای هوای اگزوز |
از نظر كاری سیستم تبرید یك واحد مستقل بوده و بویلر HRSG آن در مسیر گازهای اگزوز، و لولههای آب سرد C ْ 7 آن در مسیر مكش هوای كمپرسور نصب میشود و هیچ تداخل و ممـــانعت كاری برای توربین ایجاد نخواهد كرد. سطح انتقال حرارت تقریبی محاسبه شده حدود m2 14000 بوده و لولههای یك اینچ فین دار (با تراكم 10 فین در هر اینچ لوله) برای ساخت هواساز در نظر گرفته شده است.
2ـ2ـ بررسی اقتصادی
بمنظور مقایسه سیستم پیشنهادی WHAR با سیستمهای متداول دیگر، هزینه ثابت اولیه این سیستمها برای دستیابی به افزایش تولید مورد نظر (حدود 6 مگاوات) با یكدیگر مقایسه گردید. جدول (3) خلاصه نتایج را نشان میدهد. همچنانكه از جدول مذكور استنتاج میشود هزینه سیكل WHAR حدود 30% هزینه سیكل تركیبی (توربین گاز و بخار) و 40% هزینه یك توربین گاز دیگر میباشد.
بایستی در نظر داشت كه جهت سهولت كار رابطه هزینه ثابت دستگاهها با كیلووات تولیدی بصورت خطی در نظر گرفته شده است، و این امر در كیلوواتهای كم، با خطای نسبتاً زیادی همراه است.
جدول 3ـ مقایسه هزینههای WHAR با سیكلهای متداول دیگر
|
هزینه ثابت اولیه Rls/KW power |
سیكل |
|
105*5/8 |
سیكل تركیبی توربین گاز و تبرید جذبی WHAR |
|
106*8/2 (براساس نرخ دلار 3000 ریالی) |
سیكل تركیبی توربین گاز و بخار |
|
106*125/2 (براساس نرخ دلار 3000 ریالی) |
توربین گاز |
3ـ نتیجهگیری
اطلاعات عملی اخذ شده از واحد شماره 8 نیروگاه گازی شیراز كه نمونهای از آن در شكل (1) رسم شده است بیانگر اینست كه این توربین با حدود 5/5 مگاوات كاهش تولید در روزهای گرم سال مواجه میباشد. این كاهش تولید درست در زمان اوج مصرف میباشد. همانگونه كه از شكل میتوان دریافت هر C ْ 1 افزایش دمای محیط، 75/0 درصد كاهش در توان خروجی را در پی خواهد داشت.
سیستمهای متعددی جهت سرد كردن هوای ورودی پیشنهاد شده است كه سیستم تبرید جذبی با استفاده از حرارت اگزوز بعنوان بهترین و اقتصادیترین راه انتخاب گردید. در این سیستم باید توجه داشت كه دمای هوای ورودی به كمپرسور بالای صفر درجه سانتیگراد باشد تا از تشكیل یخ یا شبنم بر روی پرههای كمپرسور جلوگیری بعمل آید. با توجه به اینكه افزایش رطوبت هوای ورودی به كمپرسور نیز باعث افزایش بازده و توان خروجی از سیستم میشود تركیبی از این دو سیستم در افزایش توان خروجی مؤثرتر میباشد. در صورت الزام به استفاده از این سیستم، شرایط كار سیكل بایستی دقیقاً بهینه گردد.
خلاصه نتایج حاصل از این پروژه به شرح زیر میباشد:
بازده حرارتی و توان ویژه سیكل توربین گاز را میتوان با كاهش دمای هوای ورودی به كمپرسور به بیش از مقدار آن در حالت كار عادی توربین افزایش داد.
از نظر ترمودینامیكی استفاده از سیستم تبرید جذبی برای سردكردن هوای ورودی امكانپذیر است.
سیستمهای تبرید جذبی لیتیوم بروماید و آمونیاكی برای سردكردن هوای ورودی قابل استفاده است. سیستم آمونیاكی بخاطر ایجاد اختلاف دمای زیادتر، نیاز به سطح انتقال حرارت كمتری در مبدل حرارتی دارد.
شرایط كاری سیستم تبرید جذبی بستگی به شرایط نسبت فشار و نسبت دمای سیكل داشته و بر این اساس بهینهسازی لازم باید صورت پذیرد.
اگرچه نصب سیستم تبرید جذبی در مسیر هوای ورودی به توربین هزینههائی را در بر دارد ولی در عوض اضافه تولید ناشی از آن، آنهم در ساعات پیك بار، میتواند توجیهگر مستهلك شدن هزینهها طی 10ـ7 سال اولیه باشد.
بویلر HRSG به عنوان منبع حرارتی سیستم تبرید جذبی انتخاب گردید و استفاده از حرارت مستقیم گازهای اگزوز جهت سیستم تبرید منتفی گشت. میزان بخار قابل تولید با بویلر (HRSG) معمولاً بیش از نیاز سیستم تبرید میباشد و مازاد بر آن میتواند برای مصارف دیگر بكار رود.
چیلر جذبی تك مرحلهای لیتیوم بروماید بعنوان انتخاب ارجح پیشنهاد گردید و استفاده از چیلر دو مرحلهای در این مرحله منتفی گشت.
با توجه به حجم زیاد سرمایهگذاری و هزینه نسبتاً زیاد تجهیزات كنترل در سیكلهای تركیبی گاز و بخار، این سیكلها برای توربینهای گازی كوچك اقتصادی نمیباشد.
بررسی اقتصادی فرایندها بیانگر این است كه سیكل تركیبی توربین گاز و تبرید جذبی، بعنوان اقتصادیترین روش جهت افزایش توان خروجی و بازدهی توربینهای گاز كوچك قابل اجرا میباشد.
هزینه تجهیزات مورد نیاز سیكل تركیبی توربین گاز و تبرید جذبی در مقایسه با سیكلهای دیگر ناچیز میباشد.
مراجع
Ebeling J.A.، R. Halil، D. Bantam، B. Bakenhus، H. Schreiber، and R. Wendland، "Peaking gas turbine capacity enhancement using ice storage for compressor inlet air cooling" ASME paper No. 92-GT-265، 1993.
El-Hadik، A.A.، "The impact of atomospheric conditions on gas turbine performance، Trans، ASME، 112، pp. 590-596، 1990.
Hufford، P.E.، "Absorption chillers maximize cogeneration value"، ASHRAE Trans.، 97(1)، pp. 428-433، 1991.
Hufford، P.E.، "Absorption chillers improve congeneration energy efficiency"، ASHRAE J.،pp. 46-53، Mar. 1992.
Malewski M.، and G.M. Holldorff، "Power increase of gas turbines by inlet air precooling with adsorption refrigeration utilizing exhaust waste heat"، ASME paper No. 86-GT-67، 1987.
Moller، D.J.، and D. A. Kolp، "Simpson paper co: first 35 MW IM5000 in cogeneration plant"، ASME paper No. 84-GT-55، 1984.
Mohanty، B، and G. Paloso، "Enhancing gas turbine performance by intake air cooling using an absorption chiller"، Hear recovery systems & CHP، 15(1)، pp. 41-50، 1995.
Mostafavi، M.، A. Alaktiwi، and B. Angew، "Thermodynamic analysis of combined open-cycle-twin-shaft gas turbine (Brayton cycle) & exhaust gas operated absorption unit"، Applied thermal Eng.، 18، pp. 847-856، 1998.
Najjar، Y. N.، "Enhancement of performance of gas turbine engines by inlet air cooling and cogeneration system"، Applied thermal Eng.، 16(2)، pp. 163-173، 1996.
Nasser، A.E.M.، and A. El-Kalay، "A heat recovery cooling system to conserve energy in gas turbine power stations in the Arabian gulf"، Appl. Energy، 38، pp.133-142، 1991.
Ondrayas I.S.، D. A. Wilson، M. Kawamoto، and G.L. Haub، "Options in gas turbine power augmentation using inlet air chilling، ASME Paper No. 90-GT-250، 1991.
Piolenc، M.، "LES iced inlet nets utility another 14 MW of peaking at zero fuel cost"، Gas turbine world، No 1، pp. 20-25، Jan 1992.
Tsujikawa Y.، T. Sawada، and M. Hirano، "Effects of precooling of suction air on the performance of liquid hydrogen fueled supersonic aircraft engine"، Proc. Of 6th world hydrogen energy conf.، 3، pp. 1174-1184، 1986.
Yang O.، and T. Shimada، "A study on the total energy system of gas turbine"، Bull، JSME، 14(69)، pp. 234-247، 1971.
Yang O.، M. Tsujita، and T. Sato، "Thermodynamic study on the suction cooling gas turbine cycle combined with absorption type refrigeration machine using wasted heat"، Bull. JSME، 13(63)، pp. 1111-1122، 1970.
Yang O.، and T. Sato، "The Suction cooling gas turbine cycle"، Tokyo joint int. gas turbine conf.، JSME، 2، pp. 9-16، 1971.